В. М. Кошевой, А. В. Шишкин, В. И. Купровский Система и устройства
 Скачать 0.95 Mb.
|
|
87В 88В 1 фрейм = 2250 слот = 60 сек Рис. 1.2. Организация радиосвязи с временным разделением каналов 20 Контрольные вопросы 1. Каковы требования Конвенции СОЛАС в отношении оборудования мор- ских судов аппаратурой АИС? 2. Поясните назначение АИС. 3. В каком частотном диапазоне и на каких каналах осуществляется вза- имный обмен информацией в АИС? 4. Каковы преимущества АИС по сравнению с другими судовыми навигаци- онными средствами? Назовите ограничения АИС. 5. Поясните принцип действия АИС. 6. Почему передачи от отдельных судовых станций АИС не мешают друг другу? 7. В чем заключается технология радиосвязи с временным разделением ка- налов? 8. Какие данные относятся к статическим, динамическим и рейсовым па- раметрам? 9. Поясните, чем отличается курс судна по гирокомпасу от путевого угла. 10. На основе каких данных рассчитываются путевой угол и скорость судна относительно грунта (путевая скорость)? 11. Поясните принцип действия спутниковой навигационной системы. 12. Что такое дифференциальный режим определения координат. 13. Как часто передается информация по судну? Как зависит интенсив- ность передачи информации от скорости судна? 14. Какие данные, передаваемые АИС, вводятся вручную при установке ап- паратуры на судне, в начале рейса, вводятся автоматически? 15. От каких источников получает координаты аппаратура АИС? 16. Поясните термины: слот, фрейм, бит. 17. Какова скорость передачи информации в пределах одного слота? 18. Дайте расшифровку следующих английских аббревиатур: AIS, TDMA, SOTDMA, FATDMA, GNSS, COG, SOG. 21 2. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ АИС НА РАЗЛИЧНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ УРОВНЯХ 2.1. Модель взаимодействия открытых информационных систем Функционирование АИС основываются на модели взаимодействия от- крытых информационных систем (Open System Interconnection, OSI). Стан- дарт OSI разработан международной организацией по стандартизации (Inter- national Standard Organisation, ISO) и поэтому называется стандартом ISO/OSI. Данному стандарту отвечают большинство компьютерных и ин- формационных систем. В модели ISO/OSI предусмотрено семь уровней и определен порядок информационного обмена на каждом уровне. Применительно к рассматри- ваемой АИС модель ее функционирования представляется как показано на рис. 2.1. Прикладной уровень Уровень представления данных Сеансовый уровень Транспортный уровень Сетевой уровень Канальный уровень Канал 1 Канал 2 Управление доступом к каналу Управление доступом к каналу Обеспечение канала Обеспечение канала Управление каналом Управление каналом Физический уровень Приемник 1 Передатчик Приемник 2 Рис. 2.1. Модель функционирования АИС на различных информационных уровнях В АИС определены требования к четырем уровням: физическому, ка- нальному, сетевому и транспортному. 22 2.2. Физический уровень На физическом уровне определяются требования к характеристикам приемопередатчика: виду модуляции сигнала, частотам, излучаемой мощно- сти и т.п. Это чисто аппаратный уровень. Требования к АИС на физическом уровне сведены в табл. 2.1. Передача данных осуществляется в УКВ диапазоне морской подвижно службы. Передача данных по умолчанию должна осуществляться на каналах AIS 1 и AIS 2, если иначе не определено компетентными властями. В терри- ториальных водах рабочие каналы могут назначаться базовой станцией АИС. Транспондер для повышения пропускной способности и повышения надежности работает на двух параллельных каналах. Два отдельных TDMA приемника используются одновременно для параллельного приема информа- ции по двум независимым частотным каналам. Для передачи используется один TDMA передатчик попеременно на двух независимых частотных кана- лах. АИС должна иметь возможность работы на каналах 25 кГц или 12,5 кГц. 25 кГц канал используется в открытом море, в то время как 25 кГц или 12,5 кГц каналы используются в территориальных водах. Таблица 2.1 – Требования к АИС на физическом уровне Название параметра Значение Диапазон частот, МГц 156,025 - 162,025 Разнос между каналами, кГц 12,5/25 AIS 1 (канал 1 по умолчанию, ch 87B, 2087), МГц 161,975 AIS 2 (канал 2 по умолчанию, ch 88B, 2088), МГц 162,025 Ширина полосы частотного канала Узкая (12,5 кГц)/ Широкая (25 кГц) Скорость битов, бит/сек 9600 Обучающая последовательность, бит 24 Время установки передатчика (мощность передачи в пределах 20% от конечного значения, стабиль- ность частоты в пределах 1,0 кГц от конечного значения), мс ≤ 1,0 Выходная мощность передатчика, Вт 2/12,5 Кодирование данных NRZI Модуляция Адаптированная к полосе GMSK/FM Индекс частотной модуляции при узкой полосе при широкой полосе 0,25 0,5 Стабильность частоты передатчика ±3 ppm (±3 х 10 -6 ) 23 В передатчике осуществляется частотная манипуляция с предваритель- ной низкочастотной фильтрацией модулирующего сигнала (Gaussian mini- mum shift keying, GMSK/FM). Формирование GMSK/FM сигнала поясняется рис. 2.2. На рис. 2.2 представлены схема GMSK/FM модулятора и временные диаграммы сигналов. Данные представляются так называемым «инверсным кодом без возвращения к нулю» (Non return to zero, inverse NRZI). Код NRZI меняет уровень сигнала на противоположный при передаче «единицы» дан- ных. При передаче «нуля» уровень сигнала не изменяется. Далее сигнал NRZI проходит через фильтр нижних частот (ФНЧ) с амплитудно-частотной характеристикой, близкой по форме к гауссовой кривой. Этим и определяет- ся название сигнала. Сглаживание сигнала необходимо для уменьшения ши- рины полосы частот, занимаемой радиосигналом. Такой фильтр также мини- мизирует межсимвольные искажения сигнала. После ФНЧ модулирующий сигнал поступает на генератор, управляе- мый напряжением (ГУН) для формирования частотно-манипулированного радиосигнала. Частота радиосигнала на выходе ГУН отклоняется в ту или иную сторону от средней частоты f o .Девиация частоты, т.е. максимальное отклонение от среднего значения частоты составляет ∆f=2,4 кГц при широ- кой полосе (25 кГц) и ∆f=1,2 кГц при узкой полосе (12,5 кГц). Такая девиа- ция частоты обеспечивается при индексе модуляции 0,5 при работе на 25 кГц канале и 0,25 при работе на 12,5 кГц канале. На выходе ГУН, таким образом, формируется сигнал GMSK/FM, излучаемый в эфир после требуемого усиле- ния. Скорость передачи данных составляет 9600 бит/сек ± 50 ppm. Рис. 2.2. Формирование GMSK/FM сигнала: а) структурная схема б) временные диаграммы ФНЧ 1 1 1 0 0 0 f + f 0 f + f 0 f - f 0 t 1 f + f 0 f + f 0 f + f 0 f - f 0 Данные NRZI Модули- рующий сигнал GMSK/FM ГУН NRZI GMSK/FM а) б) 24 Помехоустойчивое кодирование для прямого исправления ошибок не используется. Время нарастания и спада сигнала радиопередатчика не должно пре- вышать 1 мс после включения сигнала на передачу Время переключения каналов должно быть меньше 25 мс. Время, отводимое для переключения с передачи на прием и наоборот не должно превышать времени нарастания или времени спада. Должна иметься возможность приема сообщения от слота следующего непосредст- венно или предшествующего собственной передаче. Передатчик АИС имеет возможность для установки двух уровней но- минальной мощности (высокая мощность, низкая мощность) как требуют не- которые приложения. Операции транспондера по умолчанию должны ис- пользовать высокий уровень мощности. Изменения уровня мощности долж- ны осуществляться только средствами, принятыми для управления каналами. Номинальные уровни для двух значений мощности составляют 2 Вт и 12,5 Вт. Отклонения должны быть в пределах ±20%. Оборудование АИС не должно выходить из строя в результате отсо- единения или закорачивания антенного разъема. 2.3. Канальный уровень На канальном уровне определяется порядок преобразования данных в пакеты передачи и сама процедура передачи пакетов данных в УКВ АИС ка- нале связи. Канальный уровень делится на три подуровня: − контроль доступом к каналу передачи; − обеспечение канала; − управление каналом. 2.3.1. Формат слота Подуровень контроля доступом к каналу передачи обеспечивает предос- тавление доступа к УКВ каналу с использованием технологии МДВР (TDMA) – множественного доступа с временным разделением с использованием общей шкалы времени. Для передач станции АИС отводится временной интервал – слот дли- тельностью 26,7 мс. 2250 слотов составляют фрейм или кадр продолжительно- стью 60 секунд. Состав фрейма и слота представлен на рис. 2.3. Временная синхронизация для всех станций осуществляется от единого источника UTC с помощью приемника GPS/GLONASS. Точность синхрониза- ции составляет 10 мкс. Формат слота представлен в табл. 2.2. Выход передатчика на требуемую мощность и стабильность частоты осуществляется в течение периода нарастания, который по длительности соот- ветствует 8-ми битовым интервалам. 25 Передача данных всегда начинается с 24-битовой обучающей последова- тельности (преамбулы) для синхронизации работы демодулятора. Преамбула состоит из чередующихся «единиц» и «нулей» (0 1 0 1 0 1....). Таблица 2.2 – Формат слота Поле Длительность Пояснения Нарастание 8 бит Выход передатчика на заданный режим Обучающая последовательность 24 бит 0 1 0 1 0 1…. Необходима для синхрони- зации демодулятора Флажок начала 8 бит Байт 7Eh Данные 168 бит По умолчанию CRC 16 бит Проверочный код Флажок конца 8 бит Байт 7Eh Буфер 24 бит Избыток битов, задержка по дальности, задержка повторителя и ошибка син- хронизации Всего 256 бит Флаг начала отмечает начало передачи собственно информационных данных. Длина пакета данных составляет 168 бит. Для проверки правильности Рис. 2.3. Состав фрейма (кадра) и слота слот 1 фрейм (кадр) = 2250 слотов = 60 сек Об учаю щ а я по сл ед о ват Фл а г на ча л а Фл а г ко нц а Про верк а Н ара ст ан ие Б уфе р 24 8 8 168 16 8 24 Число бит 1 слот = 256 бит = 26,7 мс 26 приема данных используется проверочный код CRC длиной 16 бит. Данный код образуется в процессе обработки принятых данных. Если сформированное значение CRC совпадает с принимаемым кодом CRC, то данные приняты без ошибок. В противном случае считается, что данные приняты с ошибкой. Флаг конца означает конец передачи. До начала следующего слота ре- зервируется еще некоторый буферный интервал, который необходим для пре- дотвращения перекрытия слотов от разных станций. Буферный интервал рас- пределяется следующим образом: − избыточные биты (свыше 168) в сообщениях переменной длины: 4 бита; − задержка сигнала по дальности: 12 бит; − задержка репитерных станций: 2 бита; − ошибка синхронизации: 6 бит. Итого в наихудшем случае возможно смещение конца передачи на 24 битовых интервала, который и принят в качестве длительности буфера. Станции АИС, как правило, синхронизируются непосредственно по временной шкале UTC. Станции, которые не могут получить прямой доступ к UTC, но могут принимать другие станции с индикацией прямого UTC, должны синхронизироваться по этим станциям. Это так называемый режим семафора. При этом станция меняет свое состояние синхронизации на кос- венное UTC Для одной непрерывной передачи станцией может использоваться как максимум пять последовательных слотов. При этом требуется только одно- кратное дополнение (нарастание, обучающая последовательность флажки, CRC, буфер) для передачи длинного пакета. Подвижные станции, которые не могут получить прямую или косвен- ную UTC синхронизацию, но могут принимать передачи от базовых станций, должны синхронизироваться по базовой станции. 2.3.2. Временное разделение каналов Информационный взаимообмен станций АИС осуществляется на осно- ве множественного доступа с временным разделением (Time division multiple access, TDMA). Каждая станция может передавать в строго фиксированном временном интервале – слоте. Для того, чтобы избежать передач двух и более станций в одном слоте применяются специальные алгоритмы планирования слотов для передачи каждой станцией. Выбор слота на временной шкале осуществляется в соответствии со следующими четырьмя алгоритмами: SOTDMA –self organising TDMA, самоорганизующийся множествен- ный доступ с временным разделением каналов; ITDMA – incremental TDMA, множественный доступ с приращением и временным разделением каналов; RATDMA – random access TDMA, случайный множественный доступ с временным разделением каналов; FATDMA – fixed access TDMA, множественный фиксированный дос- туп с временным разделением каналов; 27 SOTDMA является основным алгоритмом, используемым судовыми станциями в открытом море. Находясь в открытом море, все судовые станции АИС являются равноправными, и каждая станция сама резервирует номера следующих слотов для своей передачи на основании наблюдения передач от всех других станций. Пропускная способность канала обмена данными на двух каналах АИС достаточна для обмена в наиболее интенсивных районах судоходства – Дуврском и Сингапурском проливах. Причем работоспособ- ность всей системы АИС не нарушается даже при дефиците свободных сло- тов в пределах УКВ связи. В этом случае при необходимости учащения пере- дачи судовая станция АИС считает свободными слоты, занимаемые наиболее удаленными станциями. Алгоритмы ITDMA и RATDMA используются в переходном режиме, когда судно изменяет динамические или рейсовые характеристики и возни- кает необходимость ускорения темпа передач. Алгоритм FATDMA используется только базовыми береговыми стан- циями для своих фиксированных передач. 2.3.3. Принцип выбора слота для передачи Станции АИС после включения в работу до начала передачи в течение минутного кадра принимают и анализируют сообщения в канале АИС для определения свободных слотов и выбора потенциальных слотов для своей передачи в следующем минутном кадре. Первый слот в начале передачи вы- бирается с использованием протокола RATDMA. Последующие слоты в дан- ном минутном кадре выбираются посредством протокола ITDMA. О выбран- ных слотах объявляется в первом переданном станцией сообщении. Если судно не меняет свой режим движения и продолжает передавать регулярные сообщения с неизменным периодом повторения, то далее ис- пользуется протокол SOTDMA, обеспечивающий резервирование слотов в предстоящих 3-7 кадрах. Если же период повторения сообщений должен из- мениться, например, когда судно меняет курс, то станция кратковременно переходит на протокол ITDMA, а затем возвращается к SOTDMA с новым периодом повторения. Если судну необходимо передать нерегулярное сообщение, то станция использует протокола RATDMA для выбора первого слота под это сообще- ние. Последующие слоты для передачи этого сообщения выбираются посред- ством протокола ITDMA. Выбранный ранее порядок передачи регулярных сообщений, например, позиционных, при этом не нарушается. Принцип выбора слотов для передачи сообщений АИС с использова- нием протоколов TDMA поясняется рис. 2.4. Например, судно должно регулярно передавать позиционное сообще- ние, содержащее динамическую информацию, с периодом повторения 6 се- кунд. Частота передачи сообщения RR для данного примера равна 10, т. е. сообщение должно повторяться 10 раз в течение минутного кадра, состояще- го из 2250 слотов. Номинальное приращение NI, равное 225, означает, что 28 данное сообщение должно повторяться, в среднем, каждые 225 слотов. Слот для передачи сообщения должен случайным образом выбираться из 45 сло- тов, лежащих в интервале выбора SI, но не занятых другими станциями. Та- ким образом, фактический интервал передачи сообщений каждой судовой станции АИС изменяется случайным образом вокруг среднего значения, оп- ределяемого параметрами движения судов и установленного стандартами. Принятые алгоритмы TDMA обеспечивают устойчивость канала АИС к перегрузкам, когда почти все слоты в минутном кадре заняты. Алгоритм выбора слотов в подобной ситуации будет следующим. Если какое-либо суд- но А не находит свободного слота для передачи своего сообщения в интерва- ле выбора, то оно выбирает для передачи слот, в котором уже ведет передачу наиболее удаленное от него судно В. Тем самым для других судов, находя- щихся поблизости, передача наиболее удаленного судна В будет подавлена в данном слоте. Однако, станция А может подавить сигнал судна В только один раз за минутный кадр. Для передачи следующего сообщения в данном кадре судно А должно выбрать слот, где ведет передачу другое удаленное судно С. Аналогично ведут себя и другие суда вблизи судна А. В результате, при перегрузке канала связи АИС на 400-500% (когда для нормальной работы всех станций потребовалось бы в 4-5 раз увеличить чис- ло слотов в кадре) реальная дальность приема каждой судовой станцией со- общений от других станций уменьшается до 8-10 миль, то есть до дальности уверенного радиолокационного сопровождения судов-целей средних разме- Рис.2.4. Выбор слотов для передачи SI SI SI SI SI SI NI NI NI NI NI SI = 0,2 * NI - интервал выбора NI = 2250 / RR - номинальное приращение RR = Tx / Tп - частота передачи сообщения Тх - длительность кадра (60 сек) Тп - период повторения сообщения Канал 1 |